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煤炭作为一种重要的化石燃料,是全球第二大能源,占全球能源消耗总量的24%,在我国能源供应中也占据着重要地位[1]。露天采矿是世界上重要的煤炭开采方式,其生产的煤炭量占全世界生产量增长值的75%,占我国年总产量的15%[2]。露天采矿不仅会移除地表植被,还有大规模土石方的时空转移,造成矿区大面积土地损毁或占用。据统计资料显示[3],我国每年由煤炭的露天开采造成的土地损毁或占用的面积高达10 000 hm2。土壤养分和碳库是衡量土壤质量的重要指标,其含量直接影响土壤肥力及生态功能,从而决定地上植被的生长。土壤养分主要包括氮(N)、磷(P)、钾(K)3种元素,为植物生长提供必要的营养支持,影响着生态系统的健康稳定与持续发展[4]。对不同形态碳的系统研究是明确土壤碳库变化和调控机理的关键,是研究陆地生态系统碳循环及全球碳平衡的关键[5]。土壤碳库由无机碳库和有机碳库两部分组成。土壤无机碳库可通过测定可溶性无机碳(DIC)含量表征,在土壤碳库中所占比例较小,往往为人们所忽视。而近来研究表明,土壤无机碳库是一个有效碳汇,在土壤-大气碳循环中发挥着重要作用[6]。土壤有机碳库则较为复杂,可根据其稳定性将其分为活性有机碳库(周转期0.1~4.5年)、慢性有机碳库(周转期5~50年)和惰性有机碳库(周转期50~3 000年)[7]。土壤活性有机碳库是植物营养的主要来源,可溶性有机碳(DOC)、还原性糖碳(HC)、微生物量碳(MBC)均属于活性碳库这一范畴。慢性有机碳库是指介于“活性”和“惰性”库之间具有中等周转时间的土壤有机碳,包括微生物和微型动物残体以及碎屑物质。颗粒物有机碳(POC)属于慢性有机碳库这一范畴。惰性有机碳库很稳定,对土地利用的短期变化几乎没有响应。非颗粒物有机碳(NPOC)属于惰性有机碳库这一范畴。
西北干旱荒漠区煤矿资源丰富,蕴藏着巨大的开发潜力,是我国重要的能源基地[8]。该区域的典型特征是风大沙多、降水稀少、物种贫乏、生境脆弱。煤矿的露天开采是一种高强度的生态扰动行为,在生境脆弱地区尤其要重视其复垦地土壤质量和生态功能的恢复情况。植树造林作为西北干旱荒漠区生态恢复的一种重要手段[9],评价其对该区域矿区复垦地土壤质量的恢复情况具有重要的意义。目前国内对露天矿区复垦地的研究多集中于黄土高原地区[10-11],少有学者将研究重点放在西北干旱荒漠地区,而近年来我国大型煤炭基地越来越多地向西北区域汇集,其中内蒙古自治区2019年上半年的煤炭生产量位列全国第一[12]。本研究以内蒙古自治区乌海市露天煤矿复垦地为例,研究其造林前后土壤养分及碳库各组分含量变化及相互关系,系统探究不同形态碳含量的变化规律以及各养分含量对土壤碳库组成变化的影响,可为深入探讨和评价造林前后矿区复垦地土壤质量和生态功能提供理论依据。
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研究区域位于内蒙古自治区乌海市海勃湾区至海南区之间的露天煤矿复垦地(106°50′~106°57′ E,39°29′~39°39′ N),占地面积约185 km2。露天煤矿在复垦时,以前移除的表土是不可能恢复的,结果就是用采煤产生的固体废弃物作为复垦的基质。这些复垦地的主要特点为岩石碎块高,土壤养分缺乏,容重高,而且复垦时采取的压实处理使得土壤渗透率偏低[13-14]。乌海市属典型的西北干旱荒漠区,干旱少雨,地表蒸发强烈,年均降水量157.9 mm,年均蒸发量3 249.0 mm,其蒸发量几乎是其降水量的20倍[15]。建市初期,荒漠化面积占全市国土面积比重达60%,全市森林覆盖率仅为0.38%。从2009年开始,乌海市全面铺设节水灌溉系统,坚持水利设施建设到哪,植树造林推进到哪。研究发现干旱荒漠区的很多植物的种子都适于传播[16],能随风飘到很远的地方,该矿区复垦地也能发现这些植物形成的荒草地。2010年春季,植树造林工程推进到海南区矿区复垦地,形成成片人工林地。林地的绝对优势种为新疆杨,其种植密度为0.17株·m−2,平均胸径为21.80 cm。
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为比较造林前后土壤碳库组分特征及影响因子,本研究于2017年10月在矿区复垦地选取荒草地(GH)和林地(FH)作为研究对象(表1)。在荒草地和林地内分别随机设置10个不连续样地(样地面积为100 m × 100 m),样地之间间隔至少100 m;于每一样地内随机设置3个10 m × 10 m的调查样方,于每个样方内按5点取样法在0~15 cm的土层范围内采集5个直径为15 cm的土柱,然后将这5个土柱混合后作为本样方的代表性样品。将采集的每个土壤样品分成两份,一部分鲜土在现场过2 mm筛后于4℃保温冰箱中保存,另一部分带回实验室,在通风的走廊中将土样风干两周后,分别将风干土样过1 mm筛以测定土壤速效养分,过0.25 mm筛以测定土壤有机碳、全氮和全磷,过0.15 mm筛以测定土壤全钾。
表 1 样地基本特征
Table 1. Basic characteristics of the sample plots
样地
Plot样地数
Plot number样地类型
Plot type坡向
Aspect坡度
Slope海拔/m
Altitude优势种
Dominant speciesGH 10 荒草地
Grassland西北
Northwest< 5° 1 250 珍珠猪毛菜和灰绿黄堇
Salsola passerina Bunge and Corydalis adunca MaximFH 10 林地
Forest land西北
Northwest< 5° 1 255 新疆杨和蒙古冰草
Populus alba var. pyramidalis and Agropyron mongolicum Keng -
土壤养分含量测定方法参照《土壤农化分析》[17]:采用凯氏定氮仪(FOSS 2200)测定土壤全氮(TN)含量;采用AA3连续流动分析仪测定土壤硝态氮(NN)和铵态氮(AN)含量;采用钼锑抗比色法测定土壤全磷(TP)含量;采用碳酸氢钠-钼锑抗比色法测定速效磷(AP)含量;采用氢氧化钠熔融火焰光度法测定土壤全钾(TK)含量;采用NH4OAc 浸提—火焰光度法测定土壤速效钾(AK)含量。
土壤总有机碳(SOC)含量采用重铬酸钾外加热法[17]测定;可溶性有机碳(DOC)和可溶性无机碳(DIC)含量采用鲜土提取液,过0.45 µm滤膜,再用总有机碳分析仪(日本岛津TOC-VCPH)进行测定[18];微生物量碳(MBC)含量采用氯仿熏蒸—K2SO4 浸提法[19]测定;还原性糖碳(HC)含量采用3,5-二硝基水杨酸法[20]测定;颗粒物有机碳(POC)和非颗粒物有机碳(NPOC)含量采用Cambardella & Elliot的方法[21]测定。
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采用Excel(2016版本)对试验数据进行整理和初步分析;再采用R 3.4.2版本(R Core Team 2017, www. R-project.org)对数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA)、Person相关性分析和变差分析,其差异性检验采用最小二乘法(LSD)检验,显著性水平为0.05;最后再通过R软件绘制箱线图、关系网络图和变差分析图。
造林对乌海露天煤矿复垦地土壤养分和碳库的影响
Effects of Afforestation on Soil Nutrient and Carbon Sequestration in Reclaimed Area of Opencast Coal Mine, Wuhai, Inner Mongolia
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摘要:
目的 明确矿区复垦地造林前后土壤碳库的变化及土壤养分对碳库的影响。 方法 以造林前的荒草地和造林后的新疆杨林地为研究对象,研究复垦地造林前后土壤无机碳库、活性有机碳库、慢性有机碳库、惰性有机碳库和养分的变化规律和相互关系以及各养分指标对碳库的贡献率差异。 结果 表明,除NN(硝态氮)外,造林后土壤养分和碳库各组分含量均有所上升。林地土壤TN(全氮)、AN(铵态氮)、TP(全磷)、AP(速效磷)、TK(全钾)和AK(速效钾)的含量相较于草地分别增加了29.27%、17.21%、23.08%、27.04%、51.18%和53.19%,而土壤NN含量下降了71.84%。造林后土壤SOC(有机碳)、POC(颗粒物有机碳)、NPOC(非颗粒物有机碳)、DIC(可溶性无机碳)、DOC(可溶性有机碳)、MBC(微生物量碳)和HC(还原性糖碳)含量相较于造林前分别上升了50.35%、62.46%、22.56%、113.53%、230.23%、274.63%和72.54%。复垦地土壤无机碳库与活性有机碳库之间呈显著正相关性,与慢性有机碳库和惰性有机碳库之间无显著相关性。土壤养分因子共能解释40.7%的碳库变量,其中K对土壤碳库的贡献率最高。相关性分析也表明TK和AK与各形态碳组分之间均存在显著正相关关系。 结论 综合分析认为造林能够明显改善和提高乌海露天煤矿复垦地土壤养分含量和碳库水平,这为进一步深入研究造林对干旱荒漠区露天煤矿复垦地土壤质量和生态功能的影响提供了理论和实践基础。 Abstract:Objective To better understand the variation rule of soil carbon pool composition and soil nutrient before and after afforestation and the influence of soil nutrient to soil carbon pool composition in reclaimed mine. Method This study was conducted in grassland and forest land of Populus alba var. pyramidalis in reclaimed mine to explore the variation and relation of soil inorganic carbon pool, active organic carbon pool, chronic organic carbon pool, inert organic carbon pool and soil nutrient, and contribution of soil nutrient to soil carbon. Result The results showed that the contents of soil nutrients and soil carbon increased after afforestation in reclaimed mine. The content of soil total nitrogen, available nitrogen, total phosphorous, available phosphorous, total potassium and available potassium in forest land increased by 29.27%, 17.21%, 23.08%, 27.04%, 51.18% and 53.19% than in grassland, while the content of soil nitric nitrogenin forest land decreased by 71.84% than in grassland. The content of soil organic carbon, particle organic carbon, non-particle organic carbon, dissolved inorganic carbon, dissolved organic carbon, microbial biomass carbon and reducing sugar carbon in forest land increased by 50.35%, 62.46%, 22.56%, 113.53%, 230.23%, 274.63% and 72.54% than in grassland. There was a significant positive correlation between soil inorganic carbon pool and active organic carbon pool, but no significant correlation with chronic organic carbon pool and inert organic carbon pool. The soil nutrient factors accounted for 40.7% of contribution rate to soil carbon sequestration. The correlation analysis also showed that there was a significant positive correlation between soil total potassium, available potassium and carbon pool composition. Conclusion The comprehensive analysis shows that afforestation can improve the soil nutrient status and carbon sequestration significantly in reclaimed area of Wuhai opencast coal mine. This conclusion can be used as a reference for further study on the improvement of soil quality and the restoration of ecological function in reclaimed mine of arid desert areas. -
Key words:
- reclaimed mine
- / afforestation
- / soil nutrient
- / carbon pool composition
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表 1 样地基本特征
Table 1. Basic characteristics of the sample plots
样地
Plot样地数
Plot number样地类型
Plot type坡向
Aspect坡度
Slope海拔/m
Altitude优势种
Dominant speciesGH 10 荒草地
Grassland西北
Northwest< 5° 1 250 珍珠猪毛菜和灰绿黄堇
Salsola passerina Bunge and Corydalis adunca MaximFH 10 林地
Forest land西北
Northwest< 5° 1 255 新疆杨和蒙古冰草
Populus alba var. pyramidalis and Agropyron mongolicum Keng -
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